Lasers fibrés UV/Moyen-IR: nano-hybridation des technologies photoniques et semiconductrices – QuantumLight

Ce projet de recherche consiste à étudier de fibres composites originales pour le développement de sources lasers accordables, présentant de nouvelles raies d?émission (couvrant tout le domaine de l?UV à l?IR moyen). Les applications potentielles se portent aussi bien sur le stockage de l'information que la détection de molécules, en passant par le diagnostique hématologique et thérapeutique. Dans ce contexte, le milieu à gain de ces fibres optiques sera obtenu au moyen de nanoparticules semiconductrices, nommées "Quantum Dots (QDs)", qui seront incorporées à la matrice silice via, entre autres, le procédé sol-gel. Ces nanoparticules, au comportement singulier, offrent la particularité d?accorder leur longueur d?onde d?émission sur une très grande bande spectrale (plusieurs centaines de nanomètres) en modifiant simplement leur diamètre, conséquence directe de l'effet de confinement quantique. Ces radiations présentent également des raies d'émission stables et étroites combinées à un large spectre d?absorption, permettant d?envisager la conception de lasers multi-longueurs d'onde tout en conservant la même source de pompe. Enfin, la capacité de la technologie des cristaux photoniques à adapter à la fois le matériau du c?ur (par le dopant) et les propriétés optiques de la fibre (par le biais de la microstructure) donne une occasion unique d'étudier des systèmes lasers QD pompés optiquement. Les lasers QDs ont été largement étudiés depuis le début des années 90, mais ce n'est que récemment qu?ils ont trouvé de nouvelles et passionnantes applications dans les domaines de la recherche et de l'industrie. La plupart de ces avancées significatives a été démontrée sur des substrats semi-conducteurs via un pompage électrique. Toutefois, ces mêmes lasers, pompés cette fois-ci optiquement, restent encore à explorer et laissent entrevoir des résultats prometteurs sans que pour autant les défis envisagés apparaissent insurmontables. Ici, nous nous proposons d'étendre ces études au domaine des fibres optiques où l?insertion originale de QDs ouvrira à n?en pas douter un large champ d'applications. Lors des trois dernières décennies, des avancées remarquables dans le domaine de la fabrication des fibres ont révolutionné les transmissions optiques et permis le développement fulgurant du réseau Internet. Plus récemment, des fibres à base de microstructures air-silice sont apparues. Leurs caractéristiques de propagation tout à fait originales ont radicalement changé la perception qu?on pouvait en avoir. L?une des avancées les plus spectaculaires concerne certainement le guidage de la lumière dans l?air à des dimensions micrométriques sur des longueurs kilométriques, démontré par le principe de bande interdite photonique mais aussi, le développement de sources lasers compactes avec un record référence supérieur au kWatt continu obtenu par le dopage du matériau silice aux ions de terre rare. Cependant, les émissions de ces fibres lasers se produisent à des longueurs d'onde spécifiques, intrinsèquement dictées par les transitions radiatives des ions terres rares ainsi que par la fréquence de pompe. En conséquence, l'émission se trouve limitée à l'infrarouge (IR) avec quelques exceptions dans le visible et l?IR moyen. De plus, aucune transition directe dans le domaine ultraviolet n?a pu être observée à ce jour. Dans ce contexte, l?utilisation de milieux actifs innovants est la prochaine étape nécessaire au développement de sources originales pour palier ces manques. Comme il est entrevu dans la littérature, l'usage de QDs colloïdaux semble être l'une des voies les plus prometteuses. Le département photonique d?Xlim présente une expertise forte à la fois dans le domaine des fibres optiques et au niveau du développement des procédés sol-gel (qui seront utilisés ici uniquement pour l'intégration des QDs, déjà disponibles commercialement). Récemment, nous avons réalisé une fibre dopée dont le c?ur se compose de nanocristaux de zircone insérés dans une matrice de silice. Ce travail a consisté à déposer des couches de silice/oxyde de zircone sur la paroi intérieure d'un tube, constituant la préforme, avant étirage, pour aboutir à la première fibre nanostructurée à faible perte. Par conséquent, en combinant les QDs commerciaux et nos méthodes de fabrication, des fibres QDs à c?ur liquide, creux et solide seront développées. Puis, la caractérisation de leurs propriétés de luminescence et enfin, la conception de systèmes lasers innovants seront proposés. Grâce aux possibilités uniques offertes par les QDs au niveau de l?accordabilité large bande des raies d?émission (accès complet à de nouvelles longueurs d?onde allant de l?UV à l?IR moyen), mais aussi concernant les sections d'absorption et la valeur du gain optique largement supérieurs (concentration de QDs jusqu'à 30%) au dopage classique aux ions terres rares (maximum 4%), un impact sans précédent est attendu tant au niveau académique qu?industriel.